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Abstract (German)

Die energetische Bilanzierung von Nichtwohngebäuden macht in der Regel eine umfangreiche Zonierung der Gebäude und damit verbunden eine zeitaufwändige Ermittlung der Hüllflächen erforderlich. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Validierung von Vereinfachungsansätzen, sodass eine konsequente Energieplanung vom Planungsbeginn bis zur Gebäudezertifizierung auch bei komplexen Gebäuden mit vertretbarem Aufwand durchführbar wird.

Dazu wird ein vereinfachtes Verfahren vorgestellt, mit dem die Erfassung der Gebäudehülle in Anlehnung an ein 1-Zonen-Modell erfolgen kann, während die energetische Bilanzierung im Mehr-Zonen-Modell stattfindet. Die beiden grundlegenden Arbeitshypothesen dabei sind, dass eine ausreichend gute Korrelation zwischen der thermischen Hüllfläche und der Energiebezugs- bzw. Zonenfläche vorliegt und dass eine automatisierte Verteilung der Hüllflächen auf die Zonen nur einen vernachlässigbaren Fehler im berechneten Energiebedarf bewirkt. Zwei Methoden werden dazu diskutiert. Beim einfachen Verfahren wird die Gebäudehüllfläche automatisch über einen vorgegebenen Algorithmus auf die Zonen aufgeteilt. Das erweiterte Verfahren erlaubt von der Zonenebene aus Präzisierungen bei der Verteilung mit unterschiedlichem Detailierungsgrad.

Oftmals liegen zum Zeitpunkt der Baugenehmigung nicht alle Informationen vor, um eine detaillierte Energieberechnung durchführen zu können. Das vereinfachte Verfahren ist so konzipiert, dass das Gebäudedatenmodell im Rahmen der fortschreitenden Projektbearbeitung weiter präzisiert und detailliert werden kann, ohne dass die zuvor hinterlegten Daten verloren gehen.

Im Rahmen von Parameteruntersuchungen wurden die wesentlichen Faktoren identifiziert, die bei der Verteilung der Gebäudehüllflächen auf die Zonen einen Einfluss auf die Energiebilanzen nehmen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden in die Schärfung des Verfahrens integriert. Bezogen auf die Vereinfachungen betrifft dies insbesondere eine möglichst geringe Beeinflussung der solaren Wärmequellen, wenn die Hülldaten von der Gebäude- auf die Zonenebene transferiert werden.

Um den Fehler beim Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes zu analysieren, wurde das Verfahren auf mehrere Gebäude mit unterschiedlichem Klimatisierungsgrad angewendet. Es wird gezeigt, dass die Fehler im Energiebedarf gering und die Ergebnisse für die frühe energetische Bewertung von Gebäuden, im Rahmen der Nachweiserstellung, ausreichend präzise sind. Verglichen mit einer detaillierten Berechnung ergeben sich bei der Anwendung des einfachen Verfahrens durchschnittliche Abweichungen im Primärenergiebedarf von etwa 6 %. Nutzt man das erweiterte Verfahren in seiner einfachsten Anwendung, so reduzieren sich, verglichen mit einer detaillierten Zonierung, die mittleren Fehler auf 1 %.

Die Nutzung von spezifischen gebäudebezogenen Energiekennwerten hat bei der energetischen Bewertung eine lange Tradition. Einheitliche Anforderungswerte für einen Gebäudetypus (z.B. Bürogebäude) können für Gebäude mit einer von der durchschnittlichen Nutzung abweichenden Struktur (Bürogebäude mit Verkaufsstätten und Wohnbereichen) jedoch zu Fehleinschätzungen führen – im positiven als auch im negativen Sinne. Seit der EnEV 2007 werden Nichtwohngebäude unter anderem auch deshalb nach dem sogenannten Referenzgebäudeverfahren bewertet. Dieses Verfahren hat hinsichtlich einer Bewertung von Gebäuden mit unterschiedlichen Nutzungsstrukturen deutliche Vorteile. Geht es aber um die energetische Bewertung eines Gebäudeentwurfs, so liefert die Referenzgebäudemethode nur unzureichende Informationen, da der Entwurf gewissermaßen als durchlaufender Posten in den Bilanzen behandelt wird. Er wird im zu bewertenden als auch im Referenzgebäude gleich hinterlegt. Um die energetische Qualität eines Gebäudeentwurfs in die Bewertung einzubeziehen, eignen sich spezifische, zonenbezogene Kennwerte auf der Ebene der Nutzenergie.

Mit der in dieser Arbeit vorgestellten Methode wurden Vergleichskennwerte für Gebäude generiert, die sich aus der Nutzungsstruktur ableiten. Dieses Verfahren und dessen Anwendbarkeit bauen auf grundlegenden Erkenntnissen auf, die bei der Entwicklung des vereinfachten Verfahrens eruiert wurden. Um zonenbezogene Kennwerte bestimmen zu können, sind Informationen zur typischen Verteilung der Gebäudehüllfläche erforderlich. Diese wurden aus statistischen Analysen anhand einer Stichprobe von über 150 Gebäuden abgeleitet und in einer Datenbank hinterlegt, die zukünftig fortgeführt werden kann, um die Berechnungsrandbedingungen weiter zu schärfen. Für alle 33 Nutzungen der DIN V 18599 werden Teilkennwerte bestimmt, die sich aus einem typischen Gebäudeentwurf sowie einer festgelegten baulichen und technischen Ausstattung ableiten. Der Gebäudevergleichskennwert setzt sich somit aus Kennwerten verschiedener Nutzungen zusammen und wird zur energetischen Bewertung herangezogen. Dieser Vergleichswert basiert auf der eingeforderten Nutzung und verändert sich nicht mit der gewählten architektonischen Lösung. Die Anwendung des Verfahrens auf reale Gebäude zeigt, dass sich aus der Bewertung klare Aussagen zur energetischen Qualität des Gebäudeentwurfs ableiten lassen.

Abstract (English)

The energy performance assessment of non residential buildings generally requires a detailed zoning procedure. This procedure leads to a time consuming calculation and allocation of the building envelope fractions to the individual zones. This study aims to develop and validate simplifications, which should enable a coherent energy planning, also for complex buildings, from the beginning until the energy performance certificate is being issued, and this in a reasonable amount of time.

For this purpose, a simplified methodology, which analyses the building envelope according to a single-zone-model, is being introduced. The energy demand on the other hand is calculated according to a detailed multi-zone-model. This simplified allocation of the building envelope is based on the following two main assumptions:

• a sufficiently good correlation exists between the building envelope and the energy surface

areas (or the surface areas of the individual zones).

• the error induced by the automatic allocation of the building envelope to the zones is

negligible for the calculated energy consumption.

Two methods are being discussed. The simplified method is using an algorithm in order to allocate the building envelope fractions automatically to the zones depending on their size. The advanced method allows, at the level of the individual zones, to modify the allocation by using weighting factors. Using the advanced method increases the precision of the model. In most cases, some of the required information for the detailed calculation is not available when the application for the building permit is being prepared. The methodology enables building components to be edited by zones and hereby gives the opportunity to easily modify the design during the course of the planning. During the development of a project, the calculations can be more detailed thereby increasing the precision of the calculation without loosing the underlying data.

Within the framework of parameters study, the main factors which have an influence on the energy balance have been identified. The results of the analysis have been integrated in the simplified method in order to increase the precision of the methodology. In relation to the simplifications it shows the importance of minimising the influence of solar heat sources, when allocation the building envelope to the individual zones.

In order to analyse the error on the total energy demand, the methodology has been applied to multiple buildings, air-conditioned to various extends. The results show that the error on the total energy demand is small and sufficiently precise for early energy assessments of buildings. Weighting factors remain however necessary. The primary energy consumption, calculated with the detailed calculation methodology and the simplified methodology, differ by more or less 6 %. When using the advanced methodology the average error is reduced to 1 % in comparison with a detailed zoning method.

The use of specific, building-related energy consumption values has a long tradition in energy assessments. Using fixed requirement values for one building type (e.g. office buildings) when assessing buildings that differ from the average type of use (e.g. office building with sales area and residential apartments) can lead to false estimations, in a positive as well as in a negative way. For this reason, amongst others, non residential buildings are being assessed since the introduction of the ENEV 2007 by using a reference building. This methodology has, with respect to the assessments of buildings with different utilisation types considerable advantages. If however, the energetic quality of a building design has to be assessed, the reference building methodology does not provide sufficient information. The building to be assessed as well as the reference building have both the same underlying building design. In order to include the energetic quality of the building design in the assessment, specific net energy consumption values at a zone level are quite useful.

The methodology presented in this study has allowed to generate building comparison values by combining certain types of zone use. This methodology and its applicability are based on elementary findings that have been brought out by the development of the simplified methodology. In order to determine zone specific energy performance values, information about the typical distribution of the building envelope is needed. This has been derived from the statistical analysis of a control sample of more than 150 buildings, which have been put into a database. This database can be expanded in the future in order to increase the precision of the underlying calculation boundary conditions. For all 33 zone types of the DIN V 18599, specific energy performance values, based on a typical building design and defined technical equipment, have been elaborated. The resulting building comparison value is derived from the different energy performance values from various zones and can be used to assess most buildings. The comparison value is based on the required type of use and does not change with the chosen architectural solution. The implementation of the methodology on real buildings shows that the assessment provides clear statements as to the energy performance of the building design.

Abstract (French)

L’établissement du bilan énergétique de bâtiments non-résidentiels nécessite en général un travail intensif puisque il requiert un zonage conséquent, nécessitant une répartition de l’enveloppe thermique sur les différentes zones. L’objet du présent travail est le développement et la validation d’une approche simplifiée, permettant de réaliser une planification énergétique conséquente, du début de planification jusqu’à la certification, avec un effort de travail acceptable, et cela aussi pour le cas de bâtiments complexes.

Dans ce but une méthode simplifiée est présentée, qui permet la saisie de l’enveloppe thermique en référence à un modèle monozone (à zone unique), alors que le bilan énergétique est dressé sur base d’un modèle multi-zones. L’étude est basée sur deux hypothèses de travail fondamentales :

• il existe une bonne corrélation entre l’enveloppe thermique et la surface énergétique, resp.

surface des zones

• une répartition automatique de l’enveloppe thermique sur les zones n’a pour conséquence

qu’une erreur négligeable sur la consommation d’énergie calculée.

A cette fin deux méthodes sont discutées. Avec la méthode simplifiée l’enveloppe thermique est automatiquement répartie sur les zones à l’aide d’un algorithme. La méthode approfondie quant à elle permet des précisions au niveau des zones avec des degrés de détail variables. Très souvent, au moment de l’introduction de la demande d’autorisation de bâtir bon nombre d’informations ne sont pas encore disponibles pour réaliser un calcul énergétique détaillé. La méthode simplifiée a été conçue en sorte à ce que le modèle du bâtiment puisse au cours du développement du projet être affiné, sans que les données consignées ne soient perdues. Dans le cadre de l’analyse de paramètres, les principaux facteurs influençant le bilan énergétique lors de la répartition des éléments de l’enveloppe thermique sur les zones, ont été identifiés. Les connaissances acquises lors de cette analyse ont été intégrées dans la précision du modèle. En relation avec les simplifications, il est à noter que l’l’impact des gains solaires est réduit lors du transfert des données de l’enveloppe thermique sur les zones.

Afin d’analyser l’erreur sur la consommation énergétique totale d’un immeuble, la méthodologie a été appliquée à plusieurs bâtiments avec des degrés de climatisation différents. Les résultats montrent que l’erreur concernant consommation en énergie est petite et le résultat suffisamment précis dans le cadre de l’évaluation énergétique d’un bâtiment, requise au moment d’une demande d’un permis de bâtir. En comparant la méthode simplifiée à une méthode de calcul détaillée, des écarts de l’ordre de 6 % du besoin en énergie primaire ont pu être constatés En utilisant la méthode approfondie, l’erreur moyenne se réduit à 1 % par rapport à un calcul basé sur un zonage détaillé.

L’utilisation d’indices de dépense d’énergie spécifiques au type de bâtiment a une longue tradition dans l’évaluation énergétique de bâtiments. Des valeurs limites uniformes peuvent, pour un même type de bâtiment (p.ex. immeuble de bureaux) lors d’une exploitation différente de celle du type d’utilisation standard (p.ex. bureaux avec espaces de vente et surfaces d’habitations), mener à des estimations erronées – aussi bien dans un sens positif que négatif. Depuis l’entrée en vigueur de l’EnEV 2007 des bâtiments non-résidentiels sont, entre autres pour cette raison, évalués à l’aide d’une méthode dite à bâtiment de référence. Cette méthode possède pour des bâtiments avec des types d’utilisation mixtes de grands avantages. Si par contre il s’agit d’évaluer l’architecture du bâtiment d’un point de vue énergétique, la méthode utilisant un bâtiment de référence ne fournit pas assez d’informations, étant donné que l’architecture du bâtiment est en quelque sorte reprise comme position courante dans les bilans. Elle est en effet identique, aussi bien pour le bâtiment à évaluer que pour le bâtiment de référence. Afin d’inclure la qualité énergétique de l’architecture du bâtiment dans l’analyse, la comparaison d’indices de dépense d’énergie utile relatifs aux différentes zones s’avère utile.

Avec la méthode présentée dans ce travail, des indices énergétiques de comparaison ont pu être générés pour des bâtiments, sur base de structures d’utilisation. Cette méthode, ainsi que son applicabilité, sont basés sur des connaissances fondamentales, découvertes lors du développement de la méthode simplifiée. Afin de déterminer des indices de dépense d’énergie spécifique aux zones, des informations sur la répartition typique de l’enveloppe thermique du bâtiment sont requises. Ces dernières ont été élaborées à l’aide d’une analyse statistique d’un échantillon de plus de 150 bâtiments, qui par la suite ont été consignées dans une base de données. Cette base de données pourra dorénavant, être complétée afin d’améliorer la précision des conditions aux limites de calcul. Pour tous les 33 types d’utilisation de la DIN V 18599 des indices de dépense d’énergie spécifiques ont été définies à partir d architectures typiques et d’installations techniques bien déterminées. L’indice de dépense d’énergie du bâtiment est ainsi composé de plusieurs indices relatifs à différentes utilisations et est utilisé pour l’évaluation énergétique globale. Cet indice d’énergie du bâtiment est basée sur le type d’utilisation exigé et ne change pas pour une solution architectonique choisie. L’application de la méthodologie à des bâtiments réels montre que l’évaluation énergétique permettra des assertions précises quant à la qualité énergétique d’un projet architectural.

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